На фронтах Великой Отечественной войны с июня 1941 года. Летал на тяжёлом бомбардировщике ТБ-3. Первые недели войны приходилось почти каждую ночь «висеть» над противником нанося бомбовые удары по движущимся на восток колоннам. Член ВКП(б)/КПСС с 1942 года.
Командир отряда 21-й отдельной тяжёлой бомбардировочной авиационной эскадрильи (Северо-Западный фронт) капитан Орлов к концу 1941 года совершил девяносто два боевых вылета на бомбардировку важных военных объектов в тылу противника, нанеся врагу значительный урон: уничтожил 93 немецких самолёта, более 60 танков, десятки цистерн с горючим, истребил большое количество живой силы.
Указом Президиума Верховного Совета СССР «О присвоении звания Героя Советского Союза начальствующему составу Красной Армии» от 21 июля 1942 года за «образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом отвагу и геройство» удостоен звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» (№ 609)[3].
В 1943 году окончил Высшие курсы усовершенствования офицерского состава, службу продолжал в авиационной дивизии особого назначения.
В 1944 году получил именную боевую машину — ему был вручен самолётЛи-2 (в варианте ночного бомбардировщика), который считается построенным на средства земляков[4] — А. М. Сарскова (колхоз «Красный луч» Алатырского района), П. Н. Майкова и С. М. Соловьева (колхоз «Красное Сормово» Моргаушского района). Участвовал и в войне с Японией. За период войны совершил 144 боевых ночных вылета, более 500 вылетов в дневное время.
После войны продолжил службу в военной авиации. В 1948 году окончил Высшие курсы слепой и ночной подготовки. С 1958 года полковник Орлов Ф. Н. — в запасе, а затем в отставке.
Жил в столице Чувашии — городе Чебоксары. Работал начальником отдела перевозок в Чебоксарском аэропорту, затем контрольным мастером на электроаппаратном заводе, занимался литературной деятельностью (написал книги «Юрататăп эпĕ тăван çĕршыва» (Люблю я свято Родину), «Юрататăп Тăван çĕршыва» (Люблю Родину), «Месть голубой двойки», «Огненные рейсы „Голубой двойки“»). Все эти годы он вел большую общественную работу, являлся депутатом нескольких созывов, членом горкома партии, занимался военно-патриотическим воспитанием молодежи. Ему было присвоено почётное звание заслуженного работника культуры Чувашской АССР.
Герои Советского Союза: Краткий биографический словарь / Пред. ред. коллегии И. Н. Шкадов. — М.: Воениздат, 1988. — Т. 2 /Любов — Ящук/. — 863 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-203-00536-2.
Орлов Ф. Н. «Юрататăп Тăван çĕршыва» («Люблю я Родину»). — Чебоксары, Чувашское книжное издательство.
Орлов Ф. Н. «Огненные рейсы „Голубой двойки“: Записки военного летчика». — Чебоксары: Чувашское кн. изд-во, 1982 — 256 с.
Статьи о нём:
Казакова А. «Ему родина дала крылья» // Знамя труда. — 2003. − 1 марта. — С.7.
Муравьев В. «Незабываемая встреча в школе: К 85-летию со дня рождения Героя Советского Союза Ф. Н. Орлова» // Знамя труда. — 1998. — 19 февраля.
Иванов Г., Соколов В. «Гордятся багишцы своим земляком» // Знамя труда. — 1979. — 9 мая.
Огненные рейсы «Голубой двойки». Память солдатского сердца. Вып.1. — Чебоксары, Чув. Книжное изд-во. — 1979. — С. 167—173.
Соколов В., Мытиков Г. «Три биографии» (А. Ф. Медведев, Ф. Н. Орлов, Г. В. Краснов). // Знамя труда. — 1978. — 5 января.
Павлов И. «Ф. Н. Орлов — в редакции» // Знамя труда. — 1962. — 5 декабря. — С.3
Кураков В. «Герой Советского Союза Ф. Н. Орлов в нашем городе» // Ленинское знамя (г. Мариинский Посад). — май 1961 (о посещении Ф. Орловым Мариинского Посада, встречах с учащимися первой средней школы, рабочими судоверфи и спиртзавода).